Saturnmond Titan trotzt den fundamentalen Gesetzen der Physik

Forscher haben eine verblüffende Entdeckung auf dem Saturn-Mond Titan gemacht: Bei extrem niedrigen Temperaturen können sich polare und unpolare Moleküle vermischen - ein Verstoß gegen eine fundamentale Regel der Chemie.

Chemische Grundregeln auf den Kopf gestellt

Forscher der schwedischen Chalmers University of Technology und der NASA haben eine Entdeckung gemacht, die eine der ältesten Regeln der Chemie infrage stellt. Auf Saturns größtem Mond Titan können sich nämlich Wasserstoffcyanid, Methan und Ethan unter den extremen Kältebedingungen zu stabilen Kristallstrukturen verbinden - obwohl das normalerweise unmöglich ist oder besser gesagt sein sollte.

Das polare Wasserstoffcyanid-Molekül kann mit den völlig unpolaren Substanzen Methan und Ethan Kristalle bilden, was überrascht, da sich solche Stoffe normalerweise strikt trennen, ähnlich wie Öl und Wasser. Das Phänomen stellt die chemische Grundregel "Gleiches löst Gleiches" infrage, die besagt, dass sich polare und unpolare Moleküle nicht spontan vermischen.

Titan als Labor für präbiotische Chemie

Saturns größter Mond fasziniert Forscher schon lange mit seiner eisigen Umgebung voller Seen, Meere, Sanddünen und einer dichten Atmosphäre aus Stickstoff, Methan und komplexer kohlenstoffbasierter Chemie. Mit einem Durchmesser von 5150 Kilometern ist Titan größer als der Planet Merkur und nach Jupiters Ganymed der zweitgrößte Mond im Sonnensystem. Die extrem kalte Oberfläche mit Temperaturen um minus 180 Grad Celsius beherbergt Seen und Flüsse aus flüssigem Methan und Ethan - der einzige andere bekannte Ort in unserem Sonnensystem außer der Erde, wo Flüssigkeiten Seen auf der Oberfläche bilden.

Die Forschungsergebnisse wurden laut einer Mitteilung der Universität Chalmers in der wissenschaftlichen Zeitschrift PNAS veröffentlicht. Titan teilt Gemeinsamkeiten mit der frühen Entwicklung unseres Planeten und könnte daher Hinweise auf den Ursprung des Lebens liefern.

Unerwartete Kooperation zwischen Molekülen

Die Entdeckung begann mit einer simplen Frage: Was passiert mit Wasserstoffcyanid, nachdem es in Titans Atmosphäre entstanden ist? Wissenschaftler der NASAs Jet Propulsion Laboratory führten Experimente durch, bei denen sie Wasserstoffcyanid mit Methan und Ethan bei Temperaturen von nur 90 Kelvin mischten. Bei diesen Temperaturen ist Wasserstoffcyanid ein Kristall, während Methan und Ethan Flüssigkeiten sind.

Als sie die Mischungen mittels Laserspektroskopie untersuchten, fanden sie heraus, dass die Moleküle intakt waren, aber trotzdem etwas passiert war. Um das zu verstehen, kontaktierten sie Martin Rahms Forschungsgruppe an der Chalmers University, die umfangreiche Forschung zu Wasserstoffcyanid betrieben hatte.

Computersimulationen enthüllen Kristallstrukturen

Die Chalmers-Forscher nutzten großangelegte Computersimulationen, um tausende verschiedene Anordnungen der Moleküle im festen Zustand zu testen. In ihrer Analyse fanden sie heraus, dass Kohlenwasserstoffe in das Kristallgitter von Wasserstoffcyanid eingedrungen waren und stabile neue Strukturen namens Co-Kristalle gebildet hatten.

Martin Rahm, Assistenzprofessor am Department für Chemie und Chemieingenieurwesen der Chalmers University, sieht das allerdings nicht als Grund, die Chemiebücher neu zu schreiben. Die Entdeckungen könnten jedoch helfen, etwas in riesigem Maßstab zu verstehen - eben einen Mond so groß wie der Planet Merkur.

Bedeutung für die Astrobiologie

Wasserstoffcyanid findet sich an vielen Orten im Universum, beispielsweise in großen Staubwolken, in Planetenatmosphären und in Kometen. Die Erkenntnisse der Studie könnten dabei helfen zu verstehen, was in anderen kalten Umgebungen im Weltraum passiert. Möglicherweise lassen sich auch andere unpolare Moleküle in die Wasserstoffcyanid-Kristalle einlagern und deren Bedeutung für die Chemie vor der Entstehung des Lebens erforschen.

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